從生物體中獲得膠原蛋白的研究進展

賈雪婷,孫佳明,張 輝

(長春中醫藥大學,長春130117)

膠原蛋白(也稱膠原)是蛋白質中的一種,膠原蛋白的來源廣泛,提取一般集中于皮膚和肌鍵等含膠原較為豐富的組織。膠原的提取除傳統的牛、豬、羊等來源,還拓展到人的胎盤[1]、海洋生物、植物等其他資源,甚至是利用基因生物技術從轉基因動物獲取的重組人膠原[2]。膠原中富含大量的甘氨酸、脯氨酸和羥脯氨酸,其水解產物中還富含豐富的生理活性肽,這些特性使膠原及其水解產物在醫療、保健及化妝品等行業具有良好的應用前景[3]。目前膠原的開發與利用已引起人們廣泛的關注。

1 膠原蛋白的提取

膠原的提取是將膠原從原料中分離出來的過程,其步驟一般為:原料-粉碎-脫脂-提取分離-純化-干燥。膠原是不完全的蛋白,具有蛋白質的某些性質,大多可溶于水及稀鹽、稀酸和稀堿溶液等,因此可根據需要采用不同的溶劑提取分離膠原蛋白。但在所有這些步驟中必須保證膠原生物大分子的完整性,防止過酸、過堿、有機溶劑、高溫、劇烈機械作用等破壞膠原的結構而導致其生物活性喪失。

1.1 熱水浸提提取法 在膠原的生產中,含脂量要求一般低于2%[4]。含脂量過高,在提取過程中會生成難溶的沉積與骨表面的脂肪酸鈣結塊,進一步影響膠原的色澤、透明度和親水性,嚴重影響膠原的提取。在一定條件下將經過各種前處理的原料用熱水浸提可得到水溶性膠原,并且膠原在溶液中的溶解性與提取的溫度成正比。但此法常與酸法提取相結合使用,趙睿等[5]采用此法提取鱈魚魚皮膠原,最佳提取條件是pH 5.0,在42℃提取25.72 h,得率為83.75%。林家福等[6]用熱水浸提羅非魚鱗膠原蛋白在溫度90 ℃,pH 6.0,固液比1∶13,提取2 h效果最優,蛋白得率為212 mg/g。但此法提取的膠原在高溫下極易變性,不具有膠原的三螺旋結構,不能用于醫用生物材料。

1.2 酸法提取 酸法提取主要利用低離子濃度酸性條件下使分子間的鹽鍵破壞而引起纖維的膨脹及溶解。酸法提取不僅可以使沒有交聯的膠原分子溶解出來,也可使含有醛胺類交聯鍵的膠原纖維溶解。朱秀靈等[7]采用此法以鯽魚為原料,乙酸質量濃度0.41 mol/L,液料比12 mL/g,提取54.81 h,膠原得率為20.68%。陳麗麗等[8]采用此法對魚回魚皮中膠原進行提取,最佳工藝固液比1∶50,在15℃下用0.5mol/L的醋酸浸提72 h,提取率達62.05%。胡建平[9]采用此法提取魚鱗膠原,乙酸質量濃度0.6 mol/L,提取溫度36℃,提取時間 6 h,料液比1∶30,羥脯氨酸含量為2.752 2 mg/mL,提取率達73.32%。酸法提取的膠原最大程度的保持了其三螺旋結構,更適用于醫用生物材料及原料的制備。

1.3 堿法提取 堿法提取是利用堿性物質為外界環境的條件下進行浸漬處理以提取膠原的方法。郝文芳[10]從黑木耳中提取膠原堿法最優,最佳條件:NaOH質量濃度0.22 mol/L,提取時間6.46 h,料液比1∶58.82,得率達0.645%。此法提取的膠原乳化性、吸油性較高。但目前關于堿法提取膠原的報道尚少,可能是堿法提取易導致蛋白變性,發生消旋現象,故一般此法常與酸法提取結合應用。

1.4 鹽法提取 鹽法提取主要是利用膠原在鹽溶液中受鹽溶液離子的影響打開離子鍵。所應用的鹽主要有NaCl、KCl、CH3COONa等。由于鹽溶液質量濃度偏低無法溶解膠原,故一般選用相對質量濃度較高的鹽溶液,一般鹽溶液質量濃度為0.5～2.0M。郝林華等[11]用0.5M乙酸-乙酸鈉緩沖液從多棘海盤車中成功提取得到膠原。梁權[12]以豬皮為原料,在65℃下,用NaHSO3和醋酸配置緩沖液、pH值為 3.5,鹽處理1.5 h,酸處理1.5 h為最佳提取工藝,基本保持原蛋白質特性,吸水性好。一般采用不同質量濃度的氯化鈉溶液對提取的膠原進行鹽析,可沉淀出不同類型的膠原。

1.5 酶法提取 酶法提取即利用不同的酶在一定的外界環境條件下進行提取而得到酶溶性的膠原。膠原對膠原酶以外的蛋白酶有抵抗作用,故較少有關于單獨使用酶提取的研究,大多與酸等物質相結合使用[13-14],此法近幾年來在醫學和藥物合成方面也是被關注的新途徑[15]。張鶴等[16]應用此法從鹿筋中提取制備膠原蛋白,采用醋酸體積分數5.5%、料液比1∶7(mL/g)、浸提時間14 h,胃蛋白酶與底物比 1∶1 000(g/g)、酶解時間 24 h,得率達 74.56%。李志洲[17]采用胰蛋白酶在超聲條件下提取鱔魚皮中膠原蛋白,酶加入量125 U/g,pH值7.2,溫度35℃,超聲波輔助提取時間3 min,酶解時間7 h,得率達92.4%。酶法提取膠原蛋白含量高,雜蛋白含量低,具有反應速度快、時間短、條件溫和、無環境污染等優點[18-20]。

2 膠原蛋白的應用

國內外對膠原蛋白的利用主要分為2大類:一是著眼于膠原獨特的宏觀物理性能(纖維性能),主要用于相紙底片、紡織、造紙等;二是著眼于其內在性能(膠原的生物功能),主要用于食品保健、美容化妝品、醫用材料等。

2.1 作為功能食品和保健食品的應用 膠原與體內鈣的關系密切,羥基脯氨酸構成血漿中的膠原并將血漿中的鈣運送到骨細胞;而骨細胞中的膠原(骨膠原)將羥基磷灰石粘合到一起,并與之共同構成骨骼的主體。由此只要攝入足夠的可與鈣結合的膠原蛋白,促使鈣在體內被較快消化吸收,且能較快的達到骨骼部位而沉積。因此膠原蛋白可制成一種補鈣的保健食品[21]。有相關報道[22]指出如果沒有足夠的膠原蛋白,單純的通過補鈣無法防治骨質疏松。

2.2 膠原在化妝品中的應用 膠原及其水解物與人皮膚膠原的結構相似,相容性好,可擴散到皮膚的深層,對皮膚不僅具有很好的營養作用、修復性、保濕性而且還有很強的抗輻射等作用,被廣泛應用于化妝品行業。現如今有很多含有膠原成分的面膜、眼霜等化妝品得到了廣大消費者們的青睞。劉群[23]研制的以純植物為原料的膠原蛋白護膚品,對改善皮膚松弛、老化、干燥缺水等癥狀療效顯著,6 000例有效受試者中總有效率高達97%。

2.3 膠原在生物醫療方面的應用 膠原具有力學性能高、促進細胞生長、止血、生物相容性和生物降解性等重要的生物學性質被廣泛應用于生物醫療方面。有報道由檸檬酸緩沖液溶解膠原蛋白和聚乙烯吡咯烷酮制得膠原蛋白-PVP聚合物(C-PVP)在應用于加固受傷的骨骼方面,較傳統的效果更好,安全性更高。在長時間的實驗和臨床試驗中均未表現出淋巴腫大、DNA損傷,未引起肝、腎的代謝紊亂和誘發人體產生其抗體,亦有用于治療尿不盡等方面的相關報道[24]。

3 結語

隨著我國畜牧業和制革工業的迅猛發展,每年都有大量富含膠原的加工后廢棄物沒有得到充分的利用,造成了資源的極大浪費。近年來,科學工作者們利用不同的酶解方法進行處理得到膠原多肽并對其進行開發研究,為資源的合理利用以及其功能特性的開發利用奠定了良好基礎。此外,由于動物膠原本身具有病原性,科學工作者們把目光投向了海洋生物、植物等其他產品來源,同時此類膠原自身具有良好的溶解性以及較低的抗原性等特點,使其擁有更大的應用與開發價值。相信隨著科學技術的不斷發展和提高,膠原的加工工藝也將日趨成熟,必將使膠原在醫藥衛生、保健品、化妝品等行業中擁有更大的經濟效益和應用前景。

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